透镜单元、图像投影装置以及光学装置的制作方法

1.本发明涉及透镜单元、图像投影装置以及光学装置。


背景技术：

2.在搭载于摄像机、投影仪中的具有变焦功能的透镜单元中，使用以下部件的透镜单元广为人知(例如参照专利文献1和2)：凸轮筒，其具有与变焦透镜组的移动量对应的螺旋状的凸轮槽；直行框，其具有使变焦透镜移动组直行移动的直行槽；以及透镜支承框，其具有用于与凸轮槽和直行槽卡合的凸形状。
3.透镜支承框的凸形状除了对框自身进行成形或加工而设置凸轮从动件形状之外，公知有组装辊子、滚子等的其他部件的透镜支承框。
4.另一方面，特别是在使用具有变焦功能的透镜单元的图像投影装置中，需求图像投影时的明亮度提高，为了实现该目的一直在谋求光源的高输出化。由此，图像投影时的镜筒内部的温度上升/高温化变得显著。
5.关于变焦透镜移动组的材质，在将透镜支承框设定为树脂成形品的情况下由于存在高温化导致熔融的担心，因此通过使用其他材料即特别是金属能够对应。
6.但是，若将相当于凸轮从动件形状的凸形状或辊子安装用座面设于金属制的透镜支承框，则自透镜支承框的外周方向的加工增加，从而成本增加。而且，金属制的透镜支承框与树脂成形品相比加工精度的偏差较大，从而对透镜单元的成品率产生影响。另外，在作为凸轮从动件形状而另行使用辊子部件的情况下，辊子部件精度以及辊子安装精度的偏差会对产品性能产生影响。
7.在专利文献1、2记载的技术中，提出了如下方案，即，使透镜支承框分离为用于支承透镜的镜室部以及用于支承该镜室部且在外周形成有多个凸轮从动件的移动框。
8.但是，虽然关于上述各框的材质存在仅树脂的记载，但是对应成为高温的透镜是困难的。另外，虽然也提出了在多个透镜组中，与另一透镜元件共用而能够降低初始成本的方案，但是未提出能够与各种凸轮方式对应的具体的方式。
9.<现有技术文献>
10.<专利文献>
11.专利文献1：(日本)特开2006－023359号公报
12.专利文献2：(日本)发明专利第4557211号公报


技术实现要素：

13.<本发明要解决的问题>
14.本发明是鉴于以上那样的情况而成的，其目的在于提供一种透镜单元，该透镜单元即使作为透镜支承框的高温对策使用耐热性、导热性较高的(金属制的)透镜支承框对成品率的影响也较小，并且能够有助于降低部件成本。
15.<用于解决问题的手段>
16.为了达成上述目的，本发明的透镜单元包括：变得相对高温的至少一片透镜；第一透镜支承部件，其支承上述透镜，且耐热性、导热性较高；第二透镜支承部件，其为树脂制，且隔着上述第一透镜支承部件支承上述透镜；以及变焦移动机构，其使上述第二透镜支承部件与上述透镜以及上述第一透镜支承部件一同在光轴方向移动。
17.<发明的效果>
18.根据本发明，能够提供一种透镜单元，其即使使用耐热性、导热性较高的第一透镜支承部件对成品率的影响也较小，且能够有助于降低部件成本。
附图说明
19.图1是示出本发明的一个实施方式的图像投影装置的构成的一个例子的图。
20.图2的(a)是示出以往例的透镜单元的整体构成的剖视图，图2的(b)是示出图2的(a)的透镜单元的第三变焦移动组的主要部分构成的分解立体图。
21.图3是放大示出以往例的透镜单元的第三变焦移动组的主要部分构成的剖视图。
22.图4是示出作为以往例的采用树脂作为第三变焦移动组的第三透镜元件的材质的情况下的温度预测模拟的结果的图。
23.图5的(a)是示出本发明的一个实施方式的透镜单元的整体构成的剖视图，图5的(b)是示出图5的(a)的透镜单元的第三变焦移动组的主要部分构成的分解立体图。
24.图6是放大示出本实施方式的透镜单元的第三变焦移动组的主要部分构成的剖视图。
25.图7是用于说明在本实施方式的透镜单元中预测为高温的组的实施温度预测模拟的结果的图。
26.图8是示出本发明的另一实施方式的图像投影装置的构成例的示意图。
具体实施方式
27.以下，参照图对包括实施例的本发明的实施方式进行详细说明。在各实施方式等中，对于具有相同功能以及形状等的构成要素(部件、构成部件)等，只要没有混同的担心则在说明一次后通过付与相同附图标记而省略其说明。
28.作为本发明的一个实施方式，在图1中示出了图像投影装置的构成的一个例子。
29.图1所示图像投影装置100具有：光源101，其用于射出光束；以及空间光调制元件102，其用于显示应投影的图像且向透过的光束付与图像信息。
30.图像投影装置100还具有：透镜单元70，其构成用于将图像在图像投影面104进行投影的投影光学系统的一部分；以及控制部109，其对用于显示应在图像投影面104投影的图像的空间光调制元件102进行控制。
31.在图1等中，将在后述正姿势状态下向透镜单元70的入射光的光轴即透镜光轴l设定为z轴，将与z轴垂直的方向中的、图1中的与纸面上下方向平行的轴设定为y轴，将与z轴和y轴分别垂直的轴设定为x轴。需要说明的是，对于x轴、y轴、z轴各自的方向，将图1中示出的箭头的方向分别设定为正向。
32.光源101使用射出光线的发光源即卤素灯，大致并行地射出白色光。这里作为光源也可以使用金属卤化物水银灯、高圧水银灯、以及led。
33.光源101虽然为白色光源，但是也可以使用多个与r、g、b等的基本色对应的激光光源那样的单色光源。
34.空间光调制元件102是使入射的光束透过且付与空间的调制而进行出射，从而给予图像信息的图像显示机构即液晶面板。需要说明的是，空间光调制元件102也可以为dmd(数字微镜器件)那样的反射型的空间光调制元件。
35.除了后述本发明的特征构成，透镜单元70为一般的变焦透镜光学系统的构成，是将自透镜单元70出射的光直接在图像投影面(屏幕)进行投影的透镜单元。
36.在图1中，为了实现图的简明化而示意性地示出透镜单元70，具体的构成后述。透镜单元70中，构成透镜单元70的主体的壳体19通过螺钉等的紧固部件安装/固定于图像投影装置100主体侧。
37.在图1中，用括号示出的附图标记700表示作为以往例的透镜单元，用括弧示出的附图标记1000表示作为以往例的图像投影装置。
38.与本发明的一个实施方式的图像投影装置100相比，以往的图像投影装置1000主要在如后所述代替透镜单元70而使用透镜单元700这点不同，其他的构成相同。
39.首先，参照图2、图3对以往例的具有变焦功能的透镜单元700的构成进行说明。图2的(a)是示出以往例的透镜单元700的整体构成的剖视图，图2的(b)是示出图2的(a)的透镜单元700的第三变焦移动组的主要部分构成的分解立体图。图3是放大示出以往例的透镜单元700的第三变焦移动组的主要部分构成的剖视图。
40.在图2的(a)、图2的(b)以及图3中，为了实现图的简明化，除了聚焦组以及固定组的一部分，省略了设置有变焦组的透镜的图示。这点对于后述图5的(a)、图5的(b)以及图6等中示出的本发明的一个实施方式的透镜单元70也相同。
41.另外，在示出透镜单元700的整体构成的图2(a)的剖视图中，为了实现图的简明化而省略了剖面线的图示。这点对于后述图5的(a)中示出的本发明的一个实施方式的透镜单元70也相同。
42.如图2的(a)所示，透镜单元700配置于光轴方向即z轴之上而构成投影光学系统。对于透镜单元700，为了容易实现在将投影图像放大投影的图像投影面(屏幕)上的最合适的尺寸，使用具有变焦/变倍功能的投影用变焦透镜。透镜单元700自放大侧(存在图像投影面那一侧)朝向缩小侧依次具备具有聚焦用透镜9的聚焦组10、第一变焦移动组11、第二变焦移动组12、第三变焦移动组13、第四变焦移动组14、第五变焦移动组15、以及具有对物透镜17的固定组16。
43.聚焦组10通过在正反方向旋转(即转动)，从而在图1所示图像投影面104对准焦距(焦点)。聚焦组10通过转动而在z轴方向移动。固定组16被固定为不能在z轴方向移动。
44.第一变焦移动组11～第五变焦移动组15具有用于支承设于各自中的透镜(未图示)的作为透镜支承部件的第一透镜元件21、第二透镜元件22、第三透镜元件63、第四透镜元件24、以及第五透镜元件25。
45.在透镜单元700中，设有用于使第一透镜元件21、第二透镜元件22、第三透镜元件63、第四透镜元件24、以及第五透镜元件25在光轴方向即z方向移动的变焦移动机构。第一变焦移动组11～第五变焦移动组15的变焦移动机构在原理上为相同的构成，以下，以第三变焦移动组13的变焦移动机构为代表进行说明。
46.如图3中放大所示，第三变焦移动组13的变焦移动机构由以下部件构成：凸轮筒30，其形成有曲线状或螺旋状的凸轮槽30a且能够转动；衬垫31，其沿光轴方向即z轴方向形成有直线状的直行槽31a，且作为固定于凸轮筒30的内周侧的固定筒；以及辊子64，其作为与凸轮槽30a以及直行槽31a卡合的凸轮从动件。辊子64呈大致圆柱状，其与第三透镜元件63分开地设于第三透镜元件63的外周部。
47.作为与凸轮槽以及直行槽卡合的凸轮从动件的凸状部21a、凸状部22a、凸状部24a以分别朝向y方向突出的方式在第一透镜元件21、第二透镜元件22、第四透镜元件24的图中的外周部一体形成。需要说明的是，包括凸轮筒30以及衬垫31等一般也称为镜筒。
48.另一方面，如图2的(b)所示，在第三透镜元件63的外周部的等分的三处形成有用于插入辊子64的辊子插入用孔63b。第三透镜元件63由能够耐高温且导热性较高的金属材料、特别是导热率较高且轻量的铝一体形成。
49.辊子64由材质为pom等的树脂一体形成。如上所述，辊子64承担作为与凸轮槽30a以及直行槽31a卡合的凸轮从动件的职责。对于与变焦移动机构的凸轮槽30a以及直行槽31a滑动的凸轮从动件，由于切削加工困难，因此另行组装有上述那样的辊子(滚子)状的部件即辊子64。
50.聚焦用透镜9使用树脂制的透镜。聚焦用透镜9之外的透镜全部使用全玻璃制的透镜。
51.以下，对第三透镜元件63使用能够耐高温且导热性较高的金属材料即铝的理由进行说明。
52.如图3所示，在第三变焦移动组13的对上述透镜的外周缘部进行支承或保持的第三透镜元件63的透镜支承部32附近，为了发挥上述透镜性能，设有用于对通过该透镜的光量进行调整的光圈(未图示)。该光圈固定配置于第三变焦移动组13的入射侧(最缩小侧)的面。
53.在设计以往以及本发明的透镜单元时，一般来说事先使用“导热解析软件”进行温度预测模拟，从而能够没有问题地设定采用的透镜以及透镜元件的材质。对于该温度预测模拟条件，以往以及本发明的透镜单元一同在相同条件(光源的最大输出能量、透镜单元的上述光圈的配置构成以及该光圈的式样、透镜单元的规定的运转时间后的温度显示等)下进行。
54.如在上述背景技术中所述，对于以往的图像投影装置1000，与本发明的图像投影装置100相同，为了实现图像投影时的明亮度提升而谋求光源101的高输出化。如图4所示，使用上述“导热解析软件”，实施采用树脂作为第三变焦移动组13的第三透镜元件的材质的情况(将其设定为第三透镜元件65)的温度预测模拟的结果，在第三透镜元件65中由虚线包围示出的透镜支承部32附近的温度称为高温预测部位35，其最大为约112(℃)。
55.以往，若在图2、图4中预测为高温的组33的高温预测部位35的温度超过约90～100(℃)，则由于存在树脂材料熔融的担心因此避免使用树脂材料。因此，通过温度预测模拟预测为高温的部位即第三透镜元件63使用金属(特别是铝)材料。
56.自光源101出射的高光量的能量通过透镜单元700的第三变焦移动组13的上述光圈被缩小，即通过配置于第三变焦移动组13的入射侧的上述光圈，在第三透镜元件63的开口部遮挡光线，从而被遮挡的光线的能量在第三透镜元件63的表面变为热能。由此，如由上
述温度预测模拟获得的结果那样，包围未图示的透镜成为高温。因此，由于具有透镜支承部32的第三透镜元件63由耐高温且导热性较高的金属材料即铝形成，因此热量不积蓄而自镜筒(凸轮筒30以及衬垫31等)向壳体19或图像投影装置1000主体侧传递扩散。
57.在上述以往的透镜单元700的第三透镜元件63中，以下例举的事项成为对光学性能产生影响的课题。
58.第一，在图2中，由于辊子64的插入用孔63b的位置精度的加工偏差，导致第三变焦移动组13的姿势不稳定。
59.第二，由于辊子64自身的形状偏差，每个辊子64部件向凸轮槽30a以及直行槽31a的嵌合状态不同。
60.第三，辊子64向插入用孔63b安装时产生姿势偏差。
61.以下，参照图5～图8，对于能够解决以往的透镜单元700具有的第一～第三课题(问题点)的本发明的一个实施方式的透镜单元70，以不同点的构成为中心进行说明。图5的(a)是示出本发明的一个实施方式的透镜单元70的整体构成的剖视图，图5的(b)是示出图5的(a)的透镜单元70的第三变焦移动组的主要部分构成的分解立体图。图6是放大示出一个实施方式的透镜单元70的第三变焦移动组的主要部分构成的剖视图。图7是用于说明在图6中预测为高温的组33的高温预测部位35的实施温度预测模拟的结果的图。
62.如图5所示，与以往的透镜单元700相比，透镜单元70主要在代替第三变焦移动组13中包括的具有辊子64的第三透镜元件63而使用将成为高温的透镜支承部的内侧设定为金属制的第三透镜元件23，并且在外侧追加第三树脂制透镜元件27的双体结构这点不同。上述不同点之外的透镜单元70的构成与以往的透镜单元700相同。
63.第三透镜元件23作为用于对支承于该第三透镜元件23的透镜(未图示)进行支承的导热性较高的第一透镜支承部件起作用。与以往的透镜单元700的第三透镜元件63相同，第三透镜元件23由能够耐高温且导热性较高的金属材料、特别是导热率较高且轻量的铝一体形成。
64.在第三透镜元件23的外周凸缘部23a的三个部位形成有螺钉插入用孔23b，其用于插入将第三透镜元件23和第三树脂制透镜元件27紧固/结合时的螺钉28。在第三透镜元件23中不存在第三透镜元件63那样的树脂制的辊子插入用孔63b。若第三透镜元件23不期望铝程度的轻量化也可的话，则可以由例如导热率较高的黄铜等形成。
65.第三变焦移动组13的上述未图示的透镜的支承机构在第三透镜元件23的透镜支承部32通过铆接进行固定。需要说明的是，不限于此，布局允许的话可以替代使用一般的紧固机构(螺钉等的紧固、粘合剂的固定)。
66.第三树脂制透镜元件27作为隔着第三透镜元件23对上述透镜进行支承的树脂制的第二透镜支承部件起作用。第三树脂制透镜元件27由耐热性优异且强度、刚性极高的树脂材料即pps(聚苯硫醚)、pcgf(聚碳酸酯+玻璃填料)等的材料形成。
67.如图6所示，在第三树脂制透镜元件27中，构成第三变焦移动组13的作为与变焦移动机构的凸轮筒30的凸轮槽30a以及衬垫31的直行槽31a卡合的凸轮从动件的凸状部27a一体形成。凸状部27a在第三树脂制透镜元件27的外周凸缘部的等分的三个部位形成。另外，在第三树脂制透镜元件27的与上述外周凸缘部正交的凸缘部的三个部位形成有供螺钉28进行紧固的螺钉孔27b。
68.如图5的(b)所示，第三树脂制透镜元件27相对于第三透镜元件23通过螺钉28进行结合。需要说明的是，不限于此，第三树脂制透镜元件27也可以相对于第三透镜元件23通过热铆接进行结合。
69.构成透镜单元70的第三透镜元件23使用耐高温且导热性较高的金属材料即铝是因为与上述以往的透镜单元700相同的理由。
70.如图7所示，使用上述“导热解析软件”，在第三变焦移动组13中采用第三透镜元件23以及第三树脂制透镜元件27而实施温度预测模拟的结果，在第三透镜元件23中由虚线包围示出的透镜支承部32附近的温度成为高温预测部位35，为最大约45(℃)，可知温度被抑制。由此，对于第三透镜元件23与第三树脂制透镜元件27的结合/嵌合面也成为约45(℃)以下，从而不存在第三树脂制透镜元件27的熔融的担心。
71.通过以上说明的构成，根据本实施方式，即使作为耐热性、导热性较高的第一透镜支承部件使用金属制的第三透镜元件23，对成品率的影响也较小，能够提供一种能够有助于降低部件成本的透镜单元70。
72.能够全部消除以往的透镜单元700具有的上述第一～第三课题。具体的而言如下所述。如第三透镜元件23、63那样，由于铝加工部件一个一个进行切削等的加工，因此与树脂成形部件相比形状精度的偏差变大。
73.但是，在本实施方式中，由于在金属/铝制的第三透镜元件23的外侧追加了第三树脂制透镜元件27，因此在凸轮槽30a以及直行槽31a中滑动的凸状部27a的形状精度稳定。
74.通过追加第三树脂制透镜元件27，不需要以往那样的辊子64，可以不考虑关于辊子64的精度。
75.由于第三透镜元件23不存在自外周方向的加工形状，因此能够期待部件成本的降低
76.对于第三树脂制透镜元件27，由于设定为在该透镜单元系统或另一透镜单元系统中能够共通使用的具有泛用性的形状，因此也能够在另一变焦透镜组中共用，从而实现初始成本降低。例如，关于作为第三树脂制透镜元件27的凸轮从动件的凸状部27a，通过将树脂的模具设定为部分嵌套结构，即使在凸轮槽宽度会产生差异的透镜单元中采用的情况下也能够个别对应，根据凸轮槽宽度的对应成为可能。
77.本发明的图像投影装置不限于图1所示具备变焦光学系统的投影仪，如图8所示，也可以为具备折返镜的超短焦点的投影仪。
78.图像投影装置100为所谓超短焦点的投影仪，其具有在演讲的时候等不映入演讲人的影子这一优点。另一方面，在投影距离比光学系统的全长短的情况下，存在不能在自图像投影面(被投影面)离开的地方设置使用，必须内嵌于图像投影面这一缺点。于是，通过配置折返镜而式光路折返，消除了上述缺点。
79.投影光学系统具有：第一光学系统，其为包括至少一个折射光学系统的光学系统且整体具有正的光焦度(日文原文：正
のパワー
)；第二光学系统，其具有反射区域和透过区域；以及第三光学系统，其为包括至少一个具有光焦度的反射面的光学系统且整体具有正的光焦度。上述投影光学系统中，来自上述图像侧的光线通过上述第一光学系统而光路在上述第二光学系统的上述反射区域被弯折且向上述第三光学系统入射，进一步光路在上述第三光学系统被弯折而透过上述第二光学系统的上述透过区域且向上述图像投影面入射。
在上述第三光学系统中，使用非球面反射镜18。
80.另外，本发明的透镜单元不限于图像投影装置，例如也可以包括与以摄像机为首的光学装置中。
81.在上述实施方式中，可以说实质上记载了以下的方式以及效果。
82.即，第一方式为透镜单元70等的透镜单元，其包括：多片透镜中的变得相对高温的至少1片的、设置于第三变焦移动组13中的省略了图示的透镜；第三透镜元件23等的第一透镜支承部件，其支承上述透镜，且耐热性、导热性较高；第三树脂制透镜元件27等的第二透镜支承部件，其隔着上述第一透镜支承部件支承上述透镜；以及变焦移动机构，其使上述第二透镜支承部件与上述透镜以及上述第一透镜支承部件一同在z轴方向等的光轴方向移动。
83.根据该构成，根据第一方式，即使使用耐热性、导热性较高的第一透镜支承部件，对成品率的影响也较小，能够提供一种能够有助于降低部件成本的透镜单元。
84.第二方式是在第一方式中上述第一透镜支承部件由金属或具有同等的热特性的树脂等形成的透镜单元。
85.第三方式是在第一或第二方式中，上述变焦移动机构为由以下部件构成的透镜单元：凸轮筒30等的凸轮筒，其形成有曲线状的凸轮槽30a等的凸轮槽且能够转动；衬垫31等的固定筒，其沿上述光轴方向形成有直行槽31a等的直线状的槽，且固定于上述凸轮筒的外周侧；以及凸状部27a等的凸轮从动件，其一体成形于上述第二透镜支承部件，且与上述凸轮槽以及上述槽卡合。
86.第四方式是在第一～第三的任一种方式中，上述第二透镜支承部件相对于上述第一透镜支承部件通过螺钉28等的螺钉进行结合的透镜单元。
87.第五方式是在第一～第三的任一方式中，上述第二透镜支承部件相对于上述第一透镜支承部件通过热铆接进行结合的透镜单元。
88.第六方式是在第一～第五的任一方式中，上述第二透镜支承部件在该透镜单元系统或另一透镜单元系统中具有能够共通使用的泛用形状的透镜单元。
89.第七方式是具有第一～第六的任一方式的透镜单元的图像投影装置。
90.第八方式是具有第一～第六的任一方式的透镜单元的光学装置。
91.以上对本发明的优选实施方式进行了说明，但是本发明不限于该特定的实施方式，只要在上述说明中不特别限定，则在权利要求书中记载的本发明的主旨的范围内，能够进行各种变形/变更。
92.例如，虽然图像投影装置设定为通过一个液晶面板给与彩色的图像信息的单板式的彩色投影仪，但是不限于此，可以为三板式的彩色投影仪，也可也为单色的图像投影装置。
93.本发明的实施方式中记载的效果只是例举由本发明产生的最合适的效果，本发明的效果不限于本发明的实施方式中记载的效果。
94.附图标记说明
95.10
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聚焦组
96.11～15
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第一变焦移动组～第五变焦移动组
97.16
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固定组
98.23
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第三透镜元件(第一透镜支承部件的一个例子)
99.27
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第三树脂制透镜元件(第二透镜支承部件的一个例子)
100.28
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螺钉(紧固/结合部件的一个例子)
101.30
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凸轮筒
102.30a
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凸轮槽(曲线状的凸轮槽的一个例子)
103.31
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衬垫(固定筒的一个例子)
104.31a
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直行槽(直线状的槽的一个例子)
105.33
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高温预测变焦组
106.70
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透镜单元
107.100
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图像投影装置
108.l
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透镜光轴
109.z
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光轴方向